1、本科毕业论文矿区地表变形监测方法探讨DISCUSSION ON MONITORING METHOD OF MINE SURFACE DEFORMATION学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 年 月 日矿区地表变形监测方法探讨摘要近年来，人们对矿区的大规模开采，使得矿区地表变形越来越严重，地表变形成为整个矿区地质环境问题之一。在矿区不管是露天还是地下开采都不可避免地引起矿区地貌的变化，矿区地表的变形对整个矿区环境、矿区建筑物、生态等带来了严重的影响，也影响了矿区安全生产。因此，进行地表变形监测成为矿区安全生产不可缺少的一部分，是矿区的重中之重。监测数据中我们可以找出变形的规律，从而
2、我们可以从中找出变形体变形的原因，来得到解决方案。而怎样进行变形监测将成为今日的热门话题，本文将重点论述传统的和近代的一些变形监测技术，详细的阐述各技术的原理。不同监测技术是否能联合使用，以及对比性的来说明各监测技术。关键字：矿区地表，变形监测，监测方法DISCUSSION ON MONITORING METHOD OF MINE SURFACE DEFORMATIONABSTRACTIn recent years, large-scale mining areas, so that more and more severe mining of surface deformation, sur
3、face deformation become one of the environmental problems of the mine geology. In the mining area, whether open-air or underground mining will inevitably lead to changes in the landscape of the mining area, mine surface deformation on the mine environment, mining buildings, poses a serious ecologica
4、l impact, but also affected the mine production safety. Therefore, the surface deformation monitoring mine safety has become an indispensable part of the production, it is the most important mining area. Monitoring data, we can find out the rules deformable so we can find out the cause of a large de
5、formation, to obtain solutions. And how to conduct deformation monitoring will become a hot topic today, This article focuses on some of the traditional and modern deformation monitoring technology, elaborated the principle of each technology. Are different monitoring techniques can be used in combi
6、nation, as well as comparative to illustrate the various monitoring techniques.KEYWORDS：Surface Mining，Deformation Monitoring，Monitoring methods摘要 .2ABSTRACT .3绪论 .51.变形监测概述 .51.1 变形监测的含义 .51.2 变形监测的研究对象 .61.3 变形监测的特点 .61.4 变形监测技术的发展 .71.5 变形监测技术的未来 .81.6 对矿区进行变形监测的意义 .82.变形监测方法 .82.1常规大地测量方法 .92.1.
7、1常规大地测量方法含义 .92.1.2常规大地测量使用仪器 .92.1.3常规大地测量方法 .92.2 GPS一机多天线技术 .102.2.1 GPS一机多天线工作原理 .112.2.2监测系统 .112.2.3 GPS一机多天线特点 .123.激光扫描技术 .133.1背景介绍 .133.2激光原理 .143.2.1 激光原理 .143.2.3 激光的特性 .153.3 激光雷达（LIDAR） .153.3.1 激光雷达工作原理 .163.3.2 激光雷达技术优势 .163.3.3 激光雷达技术应用现状 .173.4 激光扫描仪的原理 .173.4.1 激光扫描方式 .173.4.2 激光扫
8、描仪的测量原理 .183.5 激光扫描仪种类 .193.6 机载型激光扫描仪 .203.7 激光扫描仪的特点 .223.8 激光扫描技术与传统测量技术的区别 .23绪论随着近几年煤矿的不断开采，矿区灾害已成为社会关注的热点。如何确保矿区工程的安全，防止矿区地质灾害的发生，就成为施工者面临的重要问题。影响地表稳定性的因素很多，及时、准确地提供变形监测数据，才能确保施工人员正确的分析矿区地表的变形状态，从而确保矿区及其周围建筑物的安全。常用的变形监测的方法通常是在矿区附近设置稳定的观测点，然后再观测点上安置仪器对变形监测点进行监测。在观测过程中，为了避免矿区已有的变形对观测点的影响，观测基站应远离
9、变形区；同时为了保证通视条件，提高观测精度，观测基站又要尽可能的靠近监测点这两者本身就是矛盾的。因此，很难采用固定的站点对矿区进行监测。为此，该文中提出现阶段应用于变形监测中的一些方法对变形进行监测，论述了不同监测方法在矿区变形监测中的测量，对比了不同测量方案。1.变形监测概述1.1 变形监测的含义变形是在自然界中常见的现象，它是指在各种外力作用下，其形状、大小及位置在时间、空间领域中的变化。变形的变形体有一定范围的要求，在适当的范围内是允许的，如果超出允许值，这在很大程度上会导致灾难。这种危险的现象有可能发生在我们的生活中，如地震，山体滑坡，岩崩，地表塌陷，火山爆发，大坝，桥梁坍塌，建筑物等
10、与建筑物的倒塌等。变形监测是利用特殊的设备和有效的方法对变形现象进行的观测，这种情况将是一个对变形分析的过程，根据变形发展趋势来预测现状，我们把这种工作称为变形监测。其任务是确定变形体的形状，大小和状态以及变形体在时间、空间中由负载外力引起的变化。在精密测量中，最具代表性的变形体又不大坝，高层建筑，坡，隧道，矿山开采沉陷等地表变形。1.2 变形监测的研究对象在工程测量中，研究最具有代表性的变形体有矿区、桥梁、大坝、边坡、隧道、地表沉降等。而根据变形体的研究范围,可将变形监测研究对象划分为三部分:(1)全球性变形研究,如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等；（2）区域性变形研究，
11、如地壳形变监测、城市地面沉降等；（3）工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采引起地表移动和下沉等。1.3 变形监测的特点与一般的工程测量相比，变形监测有着自己的特点:1).变形监测有着多科学性的特点变形监测有时不能简单的理解为测量工作，不是测量人员单独完成的问题，一般需要其他相关学科的科研人员共同参与，由于变形体的种类繁多，变形体的变形所受影响因素以及作用方式有很大的差别，很大程度上牵涉到地质构造、工程结构、设计理论以及变形体受温度、湿度、风力等各种外界环境因素的影响。因此，在这种复杂的变形监测中，我们需要结合多种学科，测量学、工程地质学、水文地质学、结构力学
12、、建筑工程学。计算机学科等诸多学科的知识，来对变形体作出科学合理的分析、解释，对变形体以后的发展趋势作出及时的预测和预报。因此，变形监测是一门多种学科相结合的边缘学科，是测量人员与其他学科人员合作研究的领域。2）.变形监测具有很强的时间性变形体的变形一般有一定的时间性，发生在某一时间段或一个时刻，而变形监测就要在变形体的变形时间段内进行。根据监测目的，监测方法的不同，变形监测就有了分期监测和连续监测,两者相比分期监测者居多。在分期监测中每一期观测实际上都需要持续观测一段时间来完成。期间我们要选择合适的时间或时刻来进行观测，来对变形进行合理的分析、判断和预测。变形监测的时间性还与观测周期有着联系
13、。如果变形的速度较快，我们应尽可能的缩短观测周期；如果观测的变形体变形趋于稳定状态，观测周期可以长点；为了确保变形体的安全和防止不确定的因素的影响，即使变形稳定后一般也要隔一定时间仍然坚持观测。3）.变形监测的精度要求差异较大监测的目的、变形体的类型及部位的不同变形监测的精度要求也不同。在为了确保工程建筑物安全上变形监测精度要求达到变形值的十分之一。在科学研究中监测精度一般远远高于安全监测的精度要求。像倾斜度的监测，如果为了保障居民居住安全，精度可能要求低，如果是高耸的大厦，监测精度就要求高了。4）.需要多种测量仪器和测量方法的联合使用在变形监测中，由于变形监测的精度存在着很大的差异，监测周期
14、的不确定性，有的需要连续监测，因此我们就必须有针对性地运用不同的监测仪器、监测方法。在一些大区域的变形监测领域，如全球变形监测，常采用甚长基线干涉测量和 GPS 相对定位技术，来监测地壳板块的相对运动。在精密工程监测中，可以采用常规大地测量仪器，但有时还的需要特殊的仪器联合使用。在监测大规模的地表沉陷，一般用一种测量方法和仪器是完成不了的，常需要地面测量。摄影测量和遥测等方法和仪器的综合使用。1.4 变形监测技术的发展随着科学技术和变形监测的要求不断提高，变形监测技术不断地发生着变化。在 20 世纪 80 年代以前，监测技术主要是采用常规大地测量技术。采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测
15、量仪器测定点的变形。这种测量方法能够提供变形体整体的变形状态；适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；可以提供相对的变形信息。但是由于它的外业工作量太大，布点受地形条件的影响，不易实现自动化监测。 在近 10 年来，GPS 技术的快速发展，使得其在隧道、桥梁、大坝、矿区等方面的变形监测中得到了大范围的应用。其监测精度能达到级。GPS 测量技术耗费时间短，效率高；数据信息丰富，便于进行变形的对比分析，监测工作简单、快速、安全；精度高并且不受地形条件限制。GPS 测量技术给世界带来了一场巨大的革命，国外从 20 世纪 80 年代开始用 GPS 进行变形监测。近年来，我国利用 G
16、PS 进行大坝变形、矿区地表沉陷等方面的变形监测。作为 GPS 测量 RTK 网络技术的一种，测量的精度得到了进一步提高，而且测量受到的限制条件也少了很多。1.5 变形监测技术的未来(1）多种传感器、数字近景摄影、全自动化跟踪全站仪和 GPS 的应用，使得变形监测方向向着连续、实时、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展；（2）变形监测在时间和空间上的采样率得到了大大提高，变形监测自动化为变形分析提供极为丰富的数据信息；（3）为了要求在一些复杂环境下长期、稳定可靠地进行监测，需要高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统；（4）实现远程持续在线实时监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程测量中将发挥巨
17、大作用，网络监控是推进重大工程监测安全的必由之路。1.6 对矿区进行变形监测的意义近五十年来,采矿事业快速发展,很多矿区都进行了大规模的开采,一些矿区地表在井下开采区域内发生了变形和地表移动,造成地上建筑物产生皲裂被破坏,矿区范围表面出现不同程度的变形。对矿区进行变形监测，可以对变形发展态势进行预测和研究，监测矿区在垂直方向和水平方向上的位移，以确保地表建筑物及其周围环境的安全,还能为恢复矿区地表、重建矿区周边生态环境提供参数。2.变形监测方法 传统的方法：常规大地测量方法，如三角测量法、导线测量法、水准等。现阶段一些新技术：GPS 一机多天线技术、激光扫描技术、合成孔径雷达干涉测量技术、三维
18、光学扫描技术（应用与工业领域）不做详细解说。2.1 常规大地测量方法2.1.1 常规大地测量方法含义常规大地测量方法是通过测量高程、角度、坐标、边长来测定变形的方法，该种方法直观、仪器工具简单且普及，能解决各种精度级别的要求，是变形监测的主要方法。2.1.2 常规大地测量使用仪器经纬仪、全站仪、水准仪、测距仪2.1.3 常规大地测量方法1).三角测量法在地面上按一定的要求选定一系列观测点 A,B,C所有点都满足与周围相邻近点的通视，构成三角形网状。在各点上可以进行水平角观测，从而精确测量各三角形的内角。三角网的元素：起算元素;已知点的坐标、边长和已知的方位角。观测元素：三角网中观测的所有边长或
19、角度。推算元素：由起算元素和观测元素的平差值推算的三角网中其他的边长、坐标方位角和各点的坐标。由于三角点布设成网状时，能够控制整个矿区，有利于加密图根控制网；作业比较简单，只需测量少数边长和一些水平角，一般都是精密测角、测距，所以精度高；内业平差计算时由于几何条件多，点位精度相对较高。因此三角测量法一般是工程作业的主要方法。2）.导线测量法设想将地面控制点连接成一条折线的形状，直接测量各边的边长和相互之间的夹角 ，若已知 1 点的坐标和边 12 的方位角 ，就可以推算该条导线上 12的所有控制点的坐标。不过需要注意的是为了控制方位角传算误差的积累，需要沿导线测定必要数据的天文方位角。优点：布设
20、灵活，容易克服地形障碍，导线测量只要求相邻两点通视，在不易开展三角测量的地方，比如森林、隐蔽地区、高山地区等，为了需要可以布设导线测量。因此可降低占标的高度，费用少，便于观测，网内边长可以直接观测，精度均匀。缺点：导线结构简单，检核条件不足，不易发现粗差，可靠性也就不高。3）.三边测量及边角同测法三边测量和边角同测法的网形结构与三角测量法一样，只是观测的数据不同而已，三边测量观测的是三角形的三条边的边长，根据余弦定理计算各内角。如果在测角基础上在加测部分或全部边长，则叫边角同测法。相对来说，导线测量是三角测量的辅助测量，虽说测量简单但由于考虑到精度、检核问题，我们一般采用三角测量法。在一些不利
21、于三角测量的地区附加用导线测量。但随着电磁波测距技术的发展以及电磁波测距仪的普及，建立边角网与导线网的测量方法逐渐被采用。和三角测量相比，导线测量网中的方向数据少，除了节点外只有两个方向，布设网形灵活，在隐蔽地区很容易克服地形障碍；导线测量只要求相邻两点间的通视，可降低占标的高度，造标费用少；而且便于组织测量，工作量也少，受天气条件影响小；网内边长可直接测量，边长精度均匀。当然，导线测量也有它的缺点：导线结构简单，没有三角网那么多的检核条件，不易发现粗差，可靠性也就不高；结构简单，单线推进，控制面积不足，两者的结合使用是测量工作者常用的方法。4）.天文测量法天文测量法是在地面点上架设仪器，通过观测天体并记录观测天体瞬间位置的时刻，来确定地面观测点的地理位置，即确定该点的天文经度、天文纬度和该点到另一点的天文方位角。这种工作简单、测量误差也不会累积，各点彼此独立观测，不需要两点之间通视。这种测量精度低，不能用于建立控制网。但为了推算方位角，需要在每隔一段距离的三角测量点上观测天文数据，用来推求大地方位角。 推算公式: = +(-)sin式中：A:大地方位角 L:大地经度 ：天文纬度 ：天文经度 ：天文方位角2.2 GPS 一机多天线技术
